JP6441056B2

JP6441056B2 - 研削装置

Info

Publication number: JP6441056B2
Application number: JP2014250114A
Authority: JP
Inventors: 聡山中
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: KR20160070704A; CN105690199A; CN105690199B; TW201628789A; JP2016107389A; KR102319943B1; TWI674948B

Description

本発明は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の硬質な板状ワークを研削する研削装置に関する。

サファイア、炭化ケイ素等の硬質な板状ワークの研削加工では、研削荷重によって板状ワークが割れる場合がある。板状ワークに割れが生じた状態で研削加工が継続されると、研削砥石に欠けが生じて研削砥石の研削力が低下する。研削力の低下により板状ワークが減厚され難くなり、板状ワークに余計な荷重が掛ることで更に割れが悪化すると共に、研削砥石に多くの欠けが生じてしまう。この結果、チャックテーブルの保持面に板状ワークの破損屑が付着すると共に正常な研削力を持たない研削砥石で後続の板状ワークが研削されるため、後続の板状ワークにも割れが生じていた。

このため、板状ワークに割れが生じた状態で研削を継続させないように、定期的に板状ワークの割れを特定する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１に記載の方法では、板状ワークから保護テープを剥がしたときに、板状ワークの割れが保護テープに転写されることを利用して、保護テープに生じた凹凸形状から板状ワークの割れを特定している。特許文献２に記載の方法では、チャックテーブル内に設けられた発光部からチャックテーブル上の板状ワークを照射して、板状ワークの割れ目から漏れる光を撮像して板状ワークの割れを特定している。

特開２０１３−１３１５３７号公報特開２０１４−１５４７０８号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の板状ワークの割れの特定方法は、いずれも研削加工後の板状ワークの割れを判断するものである。すなわち、特許文献１に記載の方法は、板状ワークから保護テープを剥がさなければ割れを特定できず、特許文献２に記載の方法は、研削加工を停止させなければ、板状ワークの表面を撮像することができない。したがって、板状ワークの研削が完了するまでは、板状ワークが割れた状態であっても研削加工が継続されてしまうため、研削砥石の劣化が進むと共に破損屑がチャックテーブルに付着して、板状ワークに割れが発生するという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、板状ワークの割れを最小限に留めて、研削砥石の劣化を抑制して後続の板状ワークの割れを防止することができる研削装置を提供することを目的とする。

本発明の研削装置は、板状ワークを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルを連続回転させる回転手段と、該チャックテーブルを該回転手段で連続回転させ保持する板状ワークを研削砥石で研削する研削手段と、を備えた研削装置であって、該研削手段で研削される該チャックテーブルが保持する板状ワークの割れを検出する割れ検出手段を備え、該割れ検出手段は、板状ワークの上方から板状ワークの上面に向って測定光を照射する照射部と、該照射部から照射される測定光が板状ワークの該上面で反射した反射光と板状ワークの下面で反射した反射光とを受光する受光部と、板状ワークの該上面及び該下面で反射した反射光から板状ワークの厚みを算出する厚み算出部と、該受光部が受光する該上面で反射した反射光または該下面で反射した反射光の受光量が予め設定した許容範囲を超えた時に割れと判断する判断部と、を備える。

この構成によれば、板状ワークに向けて測定光を照射して、反射光の受光量の変化から板状ワークの割れが判断される。研削加工を継続した状態で受光量の変化を監視するため、板状ワークの割れを即座に判断することができる。よって、板状ワークの割れを最小限に留めて、研削手段の研削砥石の劣化が進む前に研削加工を停止することができ、研削砥石の劣化や板状ワークの破損屑による後続の板状ワークの割れを防止することができる。

本発明によれば、板状ワークに向けて測定光を照射して、反射光の受光量の変化から板状ワークの割れを判断することで、板状ワークの割れを最小限に留めて、研削砥石の劣化を抑制して後続の板状ワークの割れを防止することができる。

本実施の形態に係る研削装置の斜視図である。本実施の形態に係る研削動作の説明図である。本実施の形態に係る厚み測定手段の模式図である。本実施の形態に係る板状ワークの割れと受光量の関係を示す説明図である。本実施の形態に係る板状ワークの厚み測定及び割れ検出の説明図である。変形例に係る高さ測定手段の模式図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係る研削装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る研削装置の斜視図である。なお、本実施の形態に係る研削装置は、図１に示すように研削加工専用の装置構成に限定されず、例えば、研削加工、研磨加工、洗浄加工等の一連の加工が全自動で実施されるフルオートタイプの加工装置に組み込まれてもよい。なお、以下の図では、説明の便宜上、ＢＧ（Back-Grinding）テープについては記載を省略している。

図１に示すように、研削装置１は、多数の研削砥石４８を円環状に並べた研削ホイール４６を用いて、チャックテーブル２１に保持された板状ワークＷを研削するように構成されている。研削装置１は、チャックテーブル２１の回転軸と研削ホイール４６の回転軸が偏心され、円環状に並んだ研削砥石４８が板状ワークＷの上面８１を通過することで板状ワークＷが円弧状に削られて薄化される。なお、板状ワークＷは、サファイア、炭化ケイ素等の硬質な板状ワークに限らず、シリコン、ガリウム砒素等の半導体基板でもよいし、樹脂や金属等で形成された基板でもよい。

研削装置１の基台１１の上面には、Ｘ軸方向に延在する矩形状の開口が形成され、この開口はチャックテーブル２１と共に移動可能な移動板１２及び蛇腹状の防水カバー１３に覆われている。防水カバー１３の下方には、チャックテーブル２１をＸ軸方向に移動させるボールねじ式の進退手段（不図示）と、チャックテーブル２１を連続回転させる回転手段２２とが設けられている。チャックテーブル２１の表面には、多孔質のポーラス材によって板状ワークＷを吸着する保持面２３が形成されている。保持面２３は、チャックテーブル２１内の流路を通じて吸引源（不図示）に接続されており、保持面２３に生じる負圧によって板状ワークＷが吸引保持される。

基台１１上のコラム１４には、研削手段４１をチャックテーブル２１に対して研削送り方向（Ｚ軸方向）に接近及び離間させる研削送り手段３１が設けられている。研削送り手段３１は、コラム１４に配置されたＺ軸方向に平行な一対のガイドレール３２と、一対のガイドレール３２にスライド可能に設置されたモータ駆動のＺ軸テーブル３３とを有している。Ｚ軸テーブル３３の背面側には図示しないナット部が形成され、これらナット部にボールネジ３４が螺合されている。ボールネジ３４の一端部に連結された駆動モータ３５によりボールネジ３４が回転駆動されることで、研削手段４１がガイドレール３２に沿ってＺ軸方向に移動される。

研削手段４１は、ハウジング４２を介してＺ軸テーブル３３の前面に取り付けられており、円筒状のスピンドル４３の下端にマウント４４を設けて構成されている。スピンドル４３にはフランジ４５が設けられ、フランジ４５を介してハウジング４２に研削手段４１が支持される。マウント４４の下面には、ホイール基台４７に複数の研削砥石４８が真円の環状に装着された研削ホイール４６が保持されている。複数の研削砥石４８は、例えば、ダイヤモンド砥粒をメタルボンド等のボンド剤で固めたセグメント砥石で構成される。

研削手段４１の近傍には、板状ワークＷの厚みを測定する厚み測定手段５１が設けられている。厚み測定手段５１は、例えば非接触式の干渉分光方式で板状ワークＷの厚みを測定するものであり、板状ワークＷの上面８１及び下面８２からの反射光の光路差によって板状ワークＷの厚みを測定する。また、研削装置１には、装置各部を統括制御する制御手段６１が設けられている。制御手段６１は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等により構成される。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成される。

このように構成された研削装置１では、先ずチャックテーブル２１上に板状ワークＷが保持される。図１では保持面２３が平坦に描かれているが、図２に示すように、実際の保持面２３はチャックテーブル２１の回転中心を頂点とする緩傾斜の円錐状であり、板状ワークＷも保持面２３に沿って円錐状に保持される。研削砥石４８の研削面に対して円錐状の板状ワークＷの上面が平行になるようにチャックテーブル２１の傾きが調整された後、研削水が供給されながら研削砥石４８と板状ワークＷが回転接触することで研削される。研削加工中は、厚み測定手段５１によって板状ワークＷの厚みがリアルタイムに測定され、厚み測定手段５１の測定結果に基づいて研削手段４１の送り量が制御されている。

ところで、硬質な板状ワークＷの研削加工では、上記の研削装置１を用いて、例えば、Ｚ１軸加工、Ｚ２軸加工、Ｚ３軸加工の３段階で徐々に研削砥石の砥粒の粒度を細かくして目標厚みに近づけられる。Ｚ２軸加工では研削荷重によって板状ワークＷの割れが生じ易く、板状ワークＷの割れに入り込んだ砥粒によって研削砥石４８が削られて、研削砥石４８に欠けが生じるおそれがある。欠けが生じた研削砥石４８で板状ワークＷの研削が継続されると、さらに板状ワークＷに割れが生じ易くなる。この板状ワークＷの割れと研削砥石４８の欠けが繰り返されることで研削砥石４８の劣化が進み、後続の板状ワークＷで割れが生じ易くなるという問題がある。

本件発明者が、板状ワークＷの受光量と板状ワークＷの割れとの関係を調べたところ、厚み測定手段５１からの測定光が板状ワークＷの割れによって拡散反射して受光量に変化が生じることを発見した。そこで、本実施の形態では、研削加工を継続させた状態で、厚み測定手段５１によって板状ワークＷの厚みを測定すると共に受光量の変化から板状ワークＷの割れを検出するようにしている。これにより、板状ワークＷの割れを即座に検出することができ、早期に研削砥石４８の劣化を抑えて後続の板状ワークＷの割れを防止することが可能になっている。

ここで、図３及び図４を参照して厚み測定手段について説明する。図３は、本実施の形態に係る厚み測定手段の模式図である。図４は、本実施の形態に係る板状ワークの割れと受光量の関係を示す説明図である。なお、本実施の形態に係る厚み測定手段は、図３に示す構成に限定されず、光学式で板状ワークの厚みを測定可能な構成であれば、どのように構成されてもよい。

図３に示すように、厚み測定手段５１には、板状ワークＷの上方から板状ワークＷの上面８１に向かって測定光を照射する照射部５２と、測定光が板状ワークＷで反射した反射光を受光する受光部５３とが設けられている。照射部５２から照射された測定光は、板状ワークＷの上面８１及び下面８２で反射されてそれぞれ受光部５３で受光される。また、厚み測定手段５１には、板状ワークＷの上面８１及び下面８２で反射した反射光から板状ワークＷの厚みを算出する厚み算出部５４が設けられている。厚み算出部５４は、板状ワークＷの上面８１及び下面８２からの反射光の光路差によって板状ワークＷの厚みを算出する。

厚み測定手段５１は、板状ワークＷの厚み測定の機能に加えて、板状ワークＷの割れを検出する機能を有している。上記したように、板状ワークＷに割れが生じると、板状ワークＷで測定光が拡散反射されるため、厚み測定手段５１は、この拡散反射による受光量の変化を利用して板状ワークＷの割れを検出している。厚み測定手段５１には、板状ワークＷの割れを検出させるために、受光部５３が受光する反射光の受光量から板状ワークＷの割れを判断する判断部５５が設けられている。判断部５５には、板状ワークＷの割れの判断基準となる受光量の許容範囲が設定されている。

判断部５５は、板状ワークＷの上面８１で反射した反射光または板状ワークＷの下面８２で反射した反射光の受光量が予め設定した許容範囲を超えた時に、板状ワークＷに割れが生じたと判断する。なお、許容範囲は、例えば、事前に板状ワークＷの割れと受光量との関係を求めておくことで決定される。また、許容範囲は、板状ワークＷの上面８１からの反射光用と板状ワークＷの下面８２からの反射光用とで共通に設定されてもよいし、個々に設定されてもよい。厚み算出部５４の算出結果及び判断部５５の判断結果は、制御手段６１に出力されて研削手段４１の研削動作の制御に用いられる。

そして、研削加工中は、厚み算出部５４による板状ワークＷの厚み算出がリアルタイムで実施され、厚み算出部５４の算出結果に基づいて板状ワークＷが目標の仕上げ厚みに近づくように研削手段４１の送り量が制御される。また、研削加工中は、判断部５５による板状ワークＷの割れ検出もリアルタイムで実施され、判断部５５の判断結果に基づいて研削手段４１の駆動と停止が制御される。判断部５５によって板状ワークＷの割れと判断されていない間は研削加工が継続され、判断部５５によって板状ワークＷの割れと判断された場合には、研削手段４１が停止されて板状ワークＷの割れがオペレータに知らされる。

図４Ａに示すように、板状ワークＷの割れ８３は、板状ワークの外縁から中心に向って発生し、中心を通過後、板状ワークＷの中心から径方向外側の外縁に向かって発生する傾向がある。したがって、厚み測定手段５１で板状ワークＷの径方向の所定位置に測定光を照射させた状態で板状ワークＷを回転させることで、板状ワークＷに生じた割れ８３を見落とすことなく検出することが可能になっている。なお、厚み測定手段５１は、板状ワークＷの径方向で位置を変えながら、板状ワークＷの径方向の複数の箇所で割れ８３を検出してもよい。

図４Ｂに示すように、板状ワークＷの割れ８３に測定光が反射されると、測定光の拡散反射によって受光量が大きく変化する。受光量は、板状ワークＷの割れ８３が生じた角度位置において、大きく低下した後に大きく上昇するように変化する。この受光量が許容範囲を超えるか否かに応じて板状ワークＷの割れ８３が検出される。なお、受光量の変化（ピーク）は周期的に現れるため、受光量の変化が複数回にわたって表れたときに板状ワークＷの割れと検出してもよい。また、受光量が許容範囲の上限、下限の一方を超えたときに板状ワークＷの割れ８３と判断してもよいし、許容範囲の上限、下限の両方を超えたときに板状ワークＷの割れ８３と判断してもよい。

続いて、図５を参照して、厚み測定手段による板状ワークの厚み測定及び割れ検出について説明する。図５は、本実施の形態に係る板状ワークの厚み測定及び割れ検出の説明図である。なお、図５に示す厚み測定処理及び割れ検出処理は一例を示すものであるため、この構成に限定されるものではない。また、チャックテーブルの保持面が平坦に記載されているが、実際には緩傾斜の円錐状に形成されている。さらに、説明の便宜上、Ｚ２軸用の研削装置もＺ３軸用の研削装置も同一の符号を付している。

図５Ａに示すように、Ｚ１軸加工（粗研削加工）後の板状ワークＷがＺ２軸用の研削装置に搬入されて、板状ワークＷの中心がチャックテーブル２１の中心に合うように保持される。そして、研削ホイール４６がＺ軸回りに回転されながら板状ワークＷに近づけられ、研削砥石４８と板状ワークＷとが相対的に摺動されて板状ワークＷがＺ２軸加工される。Ｚ２軸加工（中研削加工）では、Ｚ１軸加工よりも粒度の細かい研削砥石４８を用いて研削加工が実施される。研削加工中は、厚み測定手段５１でエアーが噴き付けられながら、板状ワークＷの厚みの測定と板状ワークＷの割れの検出がリアルタイムで実施されている。

厚み測定手段５１からの板状ワークＷの厚みに基づいて、板状ワークＷの厚みが目標の厚みに達するまで板状ワークＷが研削加工される。研削加工中に厚み測定手段５１によって板状ワークＷの割れが検出されると、研削加工が停止されてオペレータにチャックテーブル２１上の板状ワークＷの撤去が促される。このように、板状ワークＷに割れが生じたときには即座に研削加工が停止されるため、板状ワークＷが割れた状態で研削が継続されることがなく、研削砥石４８の劣化が進むこともない。よって、研削砥石４８の劣化が抑えられるため、後続の板状ワークＷの割れを防止することができる。

一方で、研削加工中に板状ワークＷに割れが検出されない場合には、Ｚ３軸用の研削装置に搬入されて、Ｚ３軸加工（仕上げ研削加工）が実施される。Ｚ３軸加工では、チャックテーブル２１上で接触式の厚み測定装置６３で板状ワークＷが仕上げ研削される。このように、割れの無い板状ワークＷについてのみ後段の研削加工が行われる。Ｚ３軸加工では、Ｚ２軸加工よりも粒度の細かい研削砥石４８を用いて研削加工が実施される。また、本実施の形態では、板状ワークＷの厚みの測定と板状ワークＷの割れの検出を同時に実施する構成にしたが、板状ワークＷの厚みの測定中に、板状ワークＷの割れの検出を定期的に入れ込む構成にしてもよい。

さらに、板状ワークＷのＺ２軸加工の終了後に板状ワークＷの割れを検出する構成にしてもよい。この場合、Ｚ２軸用の研削装置でＺ２軸加工後に続けて板状ワークＷの割れを検出してもよいし、図５Ｂに示すように、Ｚ３軸用の研削装置でＺ３軸加工前に板状ワークＷの割れを検出してもよい。この構成でも、板状ワークＷが割れた状態で後段のＺ３軸研削が実施されることがなく、研削砥石４８の劣化を抑えて、後続の板状ワークＷの割れを防止できる。なお、Ｚ２、Ｚ３軸加工のいずれかで板状ワークＷの割れを検出する構成に限らず、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３軸加工のすべてで板状ワークＷの割れを検出してもよい。Ｚ１軸加工においても割れが発生する場合があり、Ｚ１軸加工で板状ワークＷの外周縁にクラックが入り、Ｚ２軸研削中またはＺ３軸研削中に割れが発生することもある。このため、Ｚ１軸加工の研削装置についても割れ検出専用の光センサを取り付けるようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態に係る研削装置１では、板状ワークＷに向けて測定光を照射して、反射光の受光量の変化から板状ワークＷの割れが判断される。研削加工を継続した状態で受光量の変化を監視するため、板状ワークＷの割れを即座に判断することができる。よって、板状ワークＷの割れを最小限に留めて、研削手段４１の研削砥石４８の劣化が進む前に研削加工を停止することができ、研削砥石４８の劣化や板状ワークＷの破損屑に起因した後続の板状ワークＷの割れを防止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記した実施の形態においては、割れ検出手段として厚み検出手段を用いて板状ワークの割れを検出する構成にしたが、この構成には限定されない。割れ検出手段は、照射部から照射された測定光が板状ワークで反射した反射光を受光部で受光して、受光量から板状ワークの割れを検出可能な構成であれば、どのように構成されていてもよい。例えば、割れ検出手段は、板状ワークの割れ検出専用に構成された検出装置であってもよいし、図６に示すように、非接触式のハイトゲージ等の高さ測定手段７１で構成されてもよい。

高さ測定手段７１のヘッド内には、板状ワークＷの上面高さの測定基準となる参照反射面７６が設けられている。高さ測定手段７１は、ヘッド内の参照反射面７６からの反射光と板状ワークＷの上面８１からの反射光によって上面高さを測定するようにしている。高さ測定手段７１には、板状ワークＷの上方から測定光を照射する照射部７２と、測定光が板状ワークＷで反射した反射光を受光する受光部７３と、参照反射面７６からの反射光と板状ワークＷの上面８１からの反射光から板状ワークＷの上面高さを算出する高さ算出部７４が設けられている。

また、高さ算出部７４には、上記した厚み測定手段５１と同様に、受光部７３が受光する反射光の受光量から板状ワークＷの割れを判断する判断部７５が設けられている。判断部７５は、板状ワークＷの上面８１で反射した反射光の受光量が予め設定した許容範囲を超えた時に、板状ワークＷに割れが生じたと判断する。このような構成であっても、板状ワークＷの割れを即座に検出して、研削手段４１の研削砥石４８の劣化が進む前に研削加工を停止することができ、後続の板状ワークＷの割れを防止することができる。

また、上記した実施の形態においては、インフィード研削する際に板状ワークＷの割れを検出する構成について説明したが、クリープフィード研削する際に板状ワークＷの割れを検出することも可能である。

以上説明したように、本発明は、板状ワークの割れを最小限に留めて、研削砥石の劣化を抑制して後続の板状ワークの割れを防止することができるという効果を有し、特に、サファイア、炭化ケイ素等の硬質な板状ワークを研削する研削装置に有用である。

１研削装置
２１チャックテーブル
２２回転手段
４１研削手段
４６研削ホイール
４８研削砥石
５１厚み測定手段（割れ検出手段）
５２、７２照射部
５３、７３受光部
５４厚み算出部
５５、７５判断部
７１高さ測定手段（割れ検出手段）
７４高さ算出部
８１板状ワークの上面
８２板状ワークの下面
８３板状ワークの割れ
Ｗ板状ワーク

Claims

板状ワークを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルを連続回転させる回転手段と、該チャックテーブルを該回転手段で連続回転させ保持する板状ワークを研削砥石で研削する研削手段と、を備えた研削装置であって、
該研削手段で研削される該チャックテーブルが保持する板状ワークの割れを検出する割れ検出手段を備え、
該割れ検出手段は、板状ワークの上方から板状ワークの上面に向って測定光を照射する照射部と、該照射部から照射される測定光が板状ワークの該上面で反射した反射光と板状ワークの下面で反射した反射光とを受光する受光部と、板状ワークの該上面及び該下面で反射した反射光から板状ワークの厚みを算出する厚み算出部と、該受光部が受光する該上面で反射した反射光または該下面で反射した反射光の受光量が予め設定した許容範囲を超えた時に割れと判断する判断部と、を備える研削装置。